CN112477930A - 一种地铁信号传输及保护系统 - Google Patents

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张瑞坤
张琼洁
毕红雪
张金瑞
陈然
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Abstract

本发明涉及一种地铁信号传输及保护系统，包括上位机和轨旁设备，所述轨旁设备通过继电器和联锁机连接至上位机的轨旁控制器，所述轨旁设备、继电器和联锁机均通过与轨旁控制器内相应的接口驱采模块连接至上位机，所述轨旁设备包括转辙机和信号机，所述轨旁控制器包括主控模块以及与主控模块连接的信号机控制模块、转辙机控制模块、通信模块和I/O采集模块；本发明提供的信号传输及保护系统，通过对轨旁控制器、转辙机和信号机的调配以解决智能体给区段和道岔带来的进路生成问题。

Description

一种地铁信号传输及保护系统
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种地铁信号传输及保护系统。
背景技术
信号系统作为轨道交通的安全防护系统，是集行车安全，提高运输能力，和减小列车追踪间隔的自动控制和通信技术的总称，是按一定闭塞方式来指挥行车安全和正点运营的重要设备系统，主要作用是保证行车的安全和提高线路的通过能力，对列车的安全运营等方面起到了举足轻重的作用。信号系统的发展也是衡量着一个国家轨道交通技术装备现代化发展水平的重要组成部分。
轨道交通信号集中监测系统是保证行车安全、加强信号设备结合部管理、监测信号设备状态、发现信号设备隐患、分析信号设备故障原因、辅助故障处理、指导现场维修、反映设备运用质量，提高电务部门维护水平和维护效率的重要行车设备，是信号设备维护的综合监测平台。它主要监测的是设备的运行状态，并做出记录，同时对智能预警分析技术和轨道信号故障诊断技术起到的辅助作用，同时也使信号设备维修技术越来越重视到此系统的安全可靠性和网络智能性。
轨道列车的运行离不开列控中心，列控中心希望实时能够并采用冗余的方式对列车数据进行通信，然后通过系统把控制转辙机、信号机、轨道电路、机车信号等室外设备的轨旁执行单元前移至被控设备的旁边，并实现分布式控制。轨旁通信分机与各控制模块之问采用双CAN总线进行通信，由电源屏通过独立的上、下行咽喉区冗余供电网络向轨旁执行单元提供电源，现行的联锁主机与轨旁设备通信装置之间存在进路生成问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种地铁信号传输及保护系统，通过对轨旁控制器、转辙机和信号机的调配以解决智能体给区段和道岔带来的进路生成问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种地铁信号传输及保护系统，包括上位机和轨旁设备，所述轨旁设备通过继电器和联锁机连接至上位机的轨旁控制器，所述轨旁设备、继电器和联锁机均通过与轨旁控制器内相应的接口驱采模块连接至上位机，所述轨旁设备包括转辙机和信号机，所述轨旁控制器包括主控模块以及与主控模块连接的信号机控制模块、转辙机控制模块、通信模块和I/O采集模块。
优选的，所述主控模块包括2套CPU电路、采集接口电路、2套CAN通信电路、2套地址码电路、表示灯电路、程序下载电路、复位电路和电源电路。
优选的，轨旁控制器内部主要包括主控模块、计轴处理模块、信号机控制模块、转辙机控制模块、路口优先模块、通信模块、环线通信模块、I/O采集模块和模式转换模块。
优选的，所述信号灯控制模块包括3套MCU电路、2套继电器动作驱动电路、2套继电器状态采集电路、2套点灯电流检测电路、3套CAN通信电路、2套地址码采集电路、表示灯电路、程序下载电路、复位电路和电源电路。
优选的，所述联锁机与线路上的转辙机、信号机连接，接收上位机下发的联锁指令，处理联锁排列、取消进路、上电解、单操、封锁、解封的操作。
优选的，所述继电器用以实现信号机点灯、转辙机控制、轨道占用状态采集，并设置断线故障。
优选的，所述轨旁设备上设有光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器通过解调仪连接至上位机，所述解调仪接收光纤光栅传感器反射回来的反射谱，通过数据采集电路将解调信号传输给MCU，所述MCU对信号进行处理分析计算出光纤光栅的中心波长，并通过以太网向上位机上传数据。
优选的，所述光纤光栅传感器包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器的传感头采用超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒的表面上、沿中心轴线设有卡槽，所述光纤光栅通过环氧树脂封装在卡槽内。
优选的，所述电流传感器的中心波长偏移量ΔλA满足：
ΔλA=λAζ（1-Pe）μH/[α（H-H0）]；
其中ΔλA为光纤光栅中心波长的偏移量，λA为光纤光栅中心波长，Pe为光纤材料的有效弹光系数，ζ为光纤材料的热光系数，α为光纤材料的热膨胀系数，μ为磁致伸缩系数，H0为超磁致伸缩棒的长度，H为在外加磁场作用下超磁致伸缩棒的长度。
优选的，所述电压传感器采用压电陶瓷棒，所述压电陶瓷棒的表面上、沿中心轴线设有凹槽，所述光纤光栅通过环氧树脂封装在凹槽内。
优选的，所述电压传感器的中心波长偏移量ΔλB满足：
ΔλB=λBζ（1-Pe）kU/d；
其中ΔλB为光纤光栅中心波长的偏移量，λB为光纤光栅中心波长，Pe为有效弹光系数，ζ为光纤材料的热光系数，k为压电陶瓷棒的压电应变常数，d为压电陶瓷棒的轴向应变量，U为输入的电压值。
优选的，所述转辙机控制模块包括驱动电路、检测电路、微处理器电路、通信电路、地址码/类型码采集电路、表示电路、指示灯电路、程序下载电路、复位电路和电源电路，所述转辙机控制模块遵循模块化、强弱电隔离的原则。
优选的，所述转辙机控制模块采用闭环控制技术、电磁兼容性技术、隔离技术、控制电路双断技术和完全独立的“二取二”功能结构进行安全防护。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种地铁信号传输及保护系统，轨旁控制器接受继电器、联锁机和轨旁设备的控制命令进行联锁逻辑的判断处理，满足进路排列条件后输出对道岔驱采模块和信号驱采模块的控制命令，完成道岔转换和信号机显示，实现进路排列的功能，然后根据不同的占用方式来解锁进路。
2、本发明提供的一种地铁信号传输及保护系统，转辙机控制模块实现有轨电车信号系统正线道岔的转换功能。
3、本发明提供的一种地铁信号传输及保护系统，信号灯控制模块采用完全独立二取二结构来实现安全控制，CAN通信电路用来实现联锁控制主机与信号灯模块之间信号灯控制命令、点灯状态及故障报警等信息的传递，控制MCU电路负责整个模块的核心逻辑运算，根据联锁控制主机下发的联锁指令，动作去线和回线上对称设置的相关继电器，沟通主控回路来实现信号灯的点亮与熄灭，去线和回线相关继电器状态分别经其状态采集电路送MCUA、MCUB进行实时采集，信号点灯状态经去线和回线电流检测单元相互校核的点。
4、本发明提供的一种地铁信号传输及保护系统，将光纤光栅电压和电流传感器分别安装在需要监测的轨旁设备上，然后采用光纤光栅解调仪接收光纤光栅传感器反射回来的反射谱，再通过数据采集电路将解调信号传输给MCU，MCU再对信号进行处理分析计算出光纤光栅的中心波长，然后通过以太网向监控中心上传数据，上位机软件对上传过来的光纤光栅中心波长数据进行处理、分析、诊断和存储。通过中心波长来计算电压电流值，最后给出相应的判断来确定轨旁设备是否正常，达到使用光纤光栅监测轨道电路轨旁设备工作状态的目的。
附图说明
图1是本发明一种地铁信号传输及保护系统结构示意图。
图2是本发明一种地铁信号传输及保护系统的主控模块结构图。
图3是本发明一种地铁信号传输及保护系统的转辙机控制模块结构图。
图4是本发明一种地铁信号传输及保护系统的信号机控制模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图1-4，一种地铁信号传输及保护系统，其特征在于：包括上位机和轨旁设备，所述轨旁设备通过继电器和联锁机连接至上位机的轨旁控制器，所述轨旁设备、继电器和联锁机均通过与轨旁控制器内相应的接口驱采模块连接至上位机，所述轨旁设备包括转辙机和信号机，所述轨旁控制器包括主控模块以及与主控模块连接的信号机控制模块、转辙机控制模块、通信模块和I/O采集模块，继电器用以实现信号机点灯、转辙机控制、轨道占用状态采集，并设置断线故障，所述联锁机与线路上的转辙机、信号机连接，接收上位机下发的联锁指令，处理联锁排列、取消进路、上电解、单操、封锁、解封的操作。
所述轨旁控制器用来执行控制命令的接受与发送，接收当前轨旁设备状态信息，根据控制命令和轨旁设备状态信息进行联锁逻辑运算，发送进路信息、控制模式和故障信息等一系列的功能，轨旁控制器包括如下模块：
主控模块：用来接收来自控制中心和车载设备的命令，根据当时工作模式、区段占用等条件进行综合逻辑运算，按照运算结果控制道岔的解锁、转换和锁闭，开放信号，排列相应的进路指引列车安全通行，主控模块是轨旁控制器的核心中枢，也是正线信号系统的联锁中心，所述主控模块包括2套CPU电路、采集接口电路、2套CAN通信电路、2套地址码电路、表示灯电路、程序下载电路、复位电路和电源电路，其中CPU电路负责整个电路板的核心逻辑运算，为了提高安全性，逻辑采用二取二模式，有两个CPU独立进行逻辑运算，并相互校核；采集接口电路安全功能电路，采集感应环线采集模块和模式转换开关的开关量信息；CAN通信电路完成电路板内两个CPU分别与光纤通信板、环线通信板、开关量采集板、道岔驱采模块和信号驱采模块之间的通信，每个CPU分别与光纤通信板、环线通信板、开关量采集板、道岔驱采模块和信号驱采模块的通信电路是独立的，采用冗余CAN通信方式，只要有1路通信正常，系统即可正常工作。
还包括计轴处理模块：采集安装在道岔区段出入口的感应线圈的反馈信息，进行逻辑运算判断，得到道岔区段占用/出清的情况、列车运行方向和速度，并将此信息通过总线实时反馈给主控模块；信号机控制模块：根据主控模块的命令开放或关闭信号机，同时实时检测信号机灯丝工作状态，如出现断丝情况则及时报警并导向安全侧；转辙机控制模块：根据主控模块的命令驱动转辙机转动，并实时监测道岔的位置状态，如出现道岔未锁闭的情况则及时报警并导向安全侧；路口优先模块：当列车将接近交叉路口时，该模块与公路交叉路口的红绿灯控制系统进行通信，以实现路口优先的运行策略；通信模块：包括两个功能，一是实现轨旁控制器与车载通信设备的无线通信功能，二是实现轨旁控制器和室内控制中心的光纤通信功能，通过轨旁控制器能将车载设备与控制中心的通信内容相互转发给对方，实现控制中心对列车的运营调度管理；环线通信模块：该模块与无线通信模块共同组成了轨旁控制器的冗余通信通道，与道岔区段出入口的车地通信环线相连接，车载设备通过安装在列车上的天线与轨旁控制器进行信息的传送；I/O采集模块：该模块与现地操作盘相连接，根据轨旁控制器当时的控制模式，实时采集操作盘的操作信息，进行进路的排列或取消，该控制方式属于现地模式，能够方便现场工作人员对道岔进行操作、检测和维护。
实施例2
在实施例1的基础上，结合图3，转辙机作为转换道岔的关键信号设备，其工作状态的好坏直接关系着电车运行过程中的安全和运输效率的高低，主要由驱动电路、检测电路、微处理器电路、通信电路、地址码/类型码采集电路、表示电路、指示灯电路、程序下载电路、复位电路和电源电路等硬件电路组成。模块电路严格按照模块化、强弱电隔离的原则进行设计。
所述转辙机控制模块采用闭环控制技术、电磁兼容性技术、隔离技术、控制电路双断技术和完全独立的“二取二”功能结构进行安全防护。
实施例3
在实施例1的基础上，结合图4，所述信号灯控制模块包括3套MCU电路、2套继电器动作驱动电路、2套继电器状态采集电路、2套点灯电流检测电路、3套CAN通信电路、2套地址码采集电路、表示灯电路、程序下载电路、复位电路和电源电路。
信号灯控制模块采用完全独立二取二结构来实现安全控制，CAN通信电路用来实现联锁控制主机与信号灯模块之间信号灯控制命令、点灯状态及故障报警等信息的传递，控制MCU电路负责整个模块的核心逻辑运算，根据联锁控制主机下发的联锁指令，动作去线和回线上对称设置的相关继电器，勾通主控回路来实现信号灯的点亮与熄灭。去线和回线相关继电器状态分别经其状态采集电路送MCUA、MCUB进行实时采集。信号点灯状态经去线和回线电流检测单元相互校核的点。
实施例4
结合图1，所述轨旁设备上设有光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器通过解调仪连接至上位机，所述解调仪接收光纤光栅传感器反射回来的反射谱，通过数据采集电路将解调信号传输给MCU，所述MCU对信号进行处理分析计算出光纤光栅的中心波长，并通过以太网向上位机上传数据。
将光纤光栅电压和电流传感器分别安装在需要监测的轨旁设备上，然后采用光纤光栅解调仪接收光纤光栅传感器反射回来的反射谱，再通过数据采集电路将解调信号传输给MCU，MCU再对信号进行处理分析计算出光纤光栅的中心波长，然后通过以太网向监控中心上传数据，上位机软件对上传过来的光纤光栅中心波长数据进行处理、分析、诊断和存储。通过中心波长来计算电压电流值，最后给出相应的判断来确定轨旁设备是否正常，达到使用光纤光栅监测轨道电路轨旁设备工作状态的目的。
实施例5
在实施例4的基础上，所述光纤光栅传感器包括电流传感器和电压传感器。
所述电流传感器的传感头采用超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒的表面上、沿中心轴线设有卡槽，所述光纤光栅通过环氧树脂封装在卡槽内。
所述电流传感器的中心波长偏移量ΔλA满足：ΔλA=λAζ（1-Pe）μH/[α（H-H0）]；其中ΔλA为光纤光栅中心波长的偏移量，λA为光纤光栅中心波长，Pe为光纤材料的有效弹光系数，ζ为光纤材料的热光系数，α为光纤材料的热膨胀系数，μ为磁致伸缩系数，H0为超磁致伸缩棒的长度，H为在外加磁场作用下超磁致伸缩棒的长度。
超磁致伸缩材料伸长量随着外加磁场强度的增加而增加，超磁致伸缩棒工作在线性区，当超磁致伸缩棒工作在线性区时，光纤光栅中心波长变化与磁场变化呈线性关系。
所述电压传感器采用压电陶瓷棒，所述压电陶瓷棒的表面上、沿中心轴线设有凹槽，所述光纤光栅通过环氧树脂封装在凹槽内，所述电压传感器的中心波长偏移量ΔλB满足：ΔλB=λBζ（1-Pe）kU/d；其中ΔλB为光纤光栅中心波长的偏移量，λB为光纤光栅中心波长，Pe为有效弹光系数，ζ为光纤材料的热光系数，k为压电陶瓷棒的压电应变常数，d为压电陶瓷棒的轴向应变量，U为输入的电压值。
当压电陶瓷上加载电压后，压电陶瓷会发生轴向应变，光纤光栅中心波长变化与输入电压呈线性关系。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种地铁信号传输及保护系统，包括上位机和轨旁设备，所述轨旁设备通过继电器和联锁机连接至上位机的轨旁控制器，所述轨旁设备、继电器和联锁机均通过与轨旁控制器内相应的接口驱采模块连接至上位机，所述轨旁设备包括转辙机和信号机，所述轨旁控制器包括主控模块以及与主控模块连接的信号机控制模块、转辙机控制模块、通信模块和I/O采集模块。
2.根据权利要求1所述的一种地铁信号传输及保护系统，其特征在于：所述主控模块包括2套CPU电路、采集接口电路、2套CAN通信电路、2套地址码电路、表示灯电路、程序下载电路、复位电路和电源电路。
3.根据权利要求1所述的一种地铁信号传输及保护系统，其特征在于：轨旁控制器内部主要包括主控模块、计轴处理模块、信号机控制模块、转辙机控制模块、路口优先模块、通信模块、环线通信模块、I/O采集模块和模式转换模块。
4.根据权利要求1所述的一种地铁信号传输及保护系统，其特征在于：所述信号灯控制模块包括3套MCU电路、2套继电器动作驱动电路、2套继电器状态采集电路、2套点灯电流检测电路、3套CAN通信电路、2套地址码采集电路、表示灯电路、程序下载电路、复位电路和电源电路。
5.根据权利要求1所述的一种地铁信号传输及保护系统，其特征在于：所述联锁机与线路上的转辙机、信号机连接，接收上位机下发的联锁指令，处理联锁排列、取消进路、上电解、单操、封锁、解封的操作。
6.根据权利要求1所述的一种地铁信号传输及保护系统，其特征在于：所述继电器用以实现信号机点灯、转辙机控制、轨道占用状态采集，并设置断线故障。
7.根据权利要求1所述的一种地铁信号传输及保护系统，其特征在于：所述轨旁设备上设有光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器通过解调仪连接至上位机，所述解调仪接收光纤光栅传感器反射回来的反射谱，通过数据采集电路将解调信号传输给MCU，所述MCU对信号进行处理分析计算出光纤光栅的中心波长，并通过以太网向上位机上传数据。
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